郭政銘,王博,王玉川*,劉繼光

1(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)2(江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212013)3(山東公社聯(lián)盟食品有限公司,山東 臨沂,276000)

凍干是一種被工業(yè)界普遍接受的優(yōu)質(zhì)干燥方法,廣泛應(yīng)用于生物制品[1]、醫(yī)藥制品[2]、高附加值農(nóng)產(chǎn)品[3]等產(chǎn)品的干燥加工。但是,以熱輻射、熱傳導(dǎo)為原理的傳統(tǒng)凍干(conventional freeze-drying, CFD)也是一種高能耗、重污染、低效率及高成本的單元操作,產(chǎn)品體積越大,這種劣勢(shì)越突出。由外及里的熱量傳遞方式及熱質(zhì)傳遞方向相反是導(dǎo)致傳統(tǒng)凍干加工周期長(zhǎng)的主要原因。因此,凍干熱源替代及熱質(zhì)傳遞調(diào)控成為凍干技術(shù)的重要研究方向。

研究證明,微波輔助凍干(microwave freeze-drying,MFD)能夠?qū)崿F(xiàn)凍干熱質(zhì)傳遞方向一致,消除熱量傳遞阻力,且具有提高凍干速率、縮短凍干周期、降低凍干成本及低碳環(huán)保的顯著優(yōu)勢(shì)。但是,MFD也存在干燥產(chǎn)品均勻性差及低壓氣體放電導(dǎo)致品質(zhì)劣變嚴(yán)重等突出問題,進(jìn)而限制了MFD技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。通過涂抹[4]、滲透[5]高介電損耗的材料、采用不同預(yù)處理方式[6]及轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)[7]可以改善MFD干燥特性及產(chǎn)品品質(zhì)。但是這些研究仍然存在一定的局限性,無法解決MFD干燥均勻性的問題。

脈沖噴動(dòng)床微波凍干(pulse-spouted bed microwave freeze-drying, PSBMFD)結(jié)合了脈沖噴動(dòng)床干燥與MFD優(yōu)勢(shì),有效解決凍干倉內(nèi)微波場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻?qū)е聝龈僧a(chǎn)品局部過熱等問題。通過萵苣[8]、玉米[9]、土豆塊[9]、香蕉[9]、山藥[10]等果蔬凍干實(shí)驗(yàn)研究,證明PSBMFD能夠顯著縮短凍干周期,降低能耗,提高產(chǎn)品均勻性。為盡快將PSBMFD技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用,課題組通過凍干倉、微波加熱腔、微波功率檢測(cè)與控制等關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計(jì),開發(fā)了中試PSBMFD設(shè)備,解決中試PSBMFD產(chǎn)品均勻性問題。本文在課題組中試PSBMFD設(shè)備研制的基礎(chǔ)上,以山楂為研究對(duì)象,研究中試PSBMFD工藝參數(shù),分析干燥時(shí)間、能耗、均勻性及產(chǎn)品品質(zhì),并與CFD進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估中試PSBMFD技術(shù)與設(shè)備商業(yè)化應(yīng)用的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山楂:品種為大金星,山東省濰坊市,水分含量為(77.52±0.72)%。

主要實(shí)驗(yàn)試劑:DPPH、ABTS、沒食子酸、Na2CO3、福林酚試劑、無水乙醇、NaOH、超純水、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、石蠟,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器與設(shè)備:2 450 MHz中試PSBMFD設(shè)備、電加熱凍干設(shè)備,實(shí)驗(yàn)室自制;BCD-205D2低溫冰柜,珠海格力集團(tuán)股份有限公司;E5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,美國(guó)Agilent公司;DSC3差示掃描量熱儀,瑞士梅特勒公司;GZX-9140MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;CR-400色差計(jì),日本柯尼卡美能達(dá)公司;UV-2600紫外可見分光光度計(jì),日本京都島津有限公司;SU8100冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,日本Hitachi公司;TA.XTC-18質(zhì)構(gòu)儀,上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司:Super nose電子鼻,上海瑞豐國(guó)際貿(mào)易有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理

凍干前,將山楂用自來水進(jìn)行清洗、挑選,去核后浸入20 g/L NaCl溶液5 min進(jìn)行護(hù)色,瀝干水分后放入-36 ℃冰柜凍結(jié)24 h備用。在本實(shí)驗(yàn)中,山楂分為3批,用于CFD和中試PSBMFD,具體計(jì)劃見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃Table 1 Experimental plan

1.2.2 凍干設(shè)備

中試PSBMFD設(shè)備由凍干倉、微波(頻率2 450 MHz)加熱系統(tǒng)、捕水系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、脈沖噴動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成(圖1),裝機(jī)功率17.8 kW,其中,微波功率9 kW,制冷6 kW,真空2.2 kW,極限真空10 Pa,從常壓到133 Pa抽氣時(shí)間<5 min,捕水器溫度-45～-35 ℃,凍干倉材質(zhì)為玻璃,直徑300 mm,高1 000 mm,裝載量(山楂)>10 kg/批次,微波功率調(diào)節(jié)范圍30%～100%,噴動(dòng)時(shí)間間隔0～99 min,噴動(dòng)時(shí)間0.1～99 s,當(dāng)物料噴動(dòng)時(shí),微波加熱系統(tǒng)停止,噴動(dòng)結(jié)束,真空恢復(fù)正常后,微波加熱系統(tǒng)重新運(yùn)行,出料口設(shè)置光纖溫度傳感器測(cè)量樣品溫度,凍干倉外壁上中下位置設(shè)置紅外溫度傳感器測(cè)量?jī)龈蓚}溫度,并控制對(duì)應(yīng)微波發(fā)生器輸出功率。

1-進(jìn)料口;2-微波加熱腔;3-微波凍干倉;4-微波凍干樣品;5-微波發(fā)生器;6-氣體分布器;7-紅外溫度傳感器;8-出料口;9-光纖溫度傳感器;10-氣固分離器;11-微波凍干真空閥;12-真空傳感器;13-放氣閥;14-捕水器;15-制冷機(jī)組;16-真空機(jī)組;17-脈沖噴動(dòng)閥;18-氣體儲(chǔ)罐;19-調(diào)壓閥;20-氮?dú)馄?21-控制柜;22-電加熱凍干真空閥;23-凍干倉;24-凍干倉門;25-電加熱板; 26-凍干料盤;27-凍干機(jī)架圖1 中試脈沖噴動(dòng)床微波凍干設(shè)備與傳統(tǒng)電加熱凍干設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot-scale pulse-spouted bed microwave freeze-drying and conventional freeze-drying equipment

CFD設(shè)備包括凍干倉(直徑0.6 m,長(zhǎng)0.8 m)、電加熱系統(tǒng)、捕水系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng),其中捕水系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與中試PSBMFD設(shè)備共用(圖1),加熱系統(tǒng)包括3層加熱板(長(zhǎng)0.5 m,寬0.4 m),單層加熱板功率1 kW,加熱板設(shè)置溫度傳感器,控制加熱板溫度,樣品盤內(nèi)設(shè)置溫度傳感器,測(cè)量樣品溫度。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)按照下述2種模式進(jìn)行。

中試PSBMFD凍干參數(shù)設(shè)置如下:捕水器溫度(-40±2) ℃,真空度40 Pa,噴動(dòng)頻率10 min/次,噴動(dòng)時(shí)間0.1 s/次,根據(jù)處理物料的量和預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了中試PSBMFD的微波加載方案,微波功率分段設(shè)定0～0.5 h:0 W;0.5～1.5 h:5 kW,1.5～2 h:6 kW;2～4.5 h:6.8 kW,4.5～5 h:5.6 kW;5～6 h:4.8 kW。啟動(dòng)制冷系統(tǒng),當(dāng)捕水器溫度達(dá)到-40 ℃,打開進(jìn)料閥,將凍結(jié)10 kg山楂放入凍干倉,關(guān)閉進(jìn)料閥,啟動(dòng)真空泵,當(dāng)真空度達(dá)到40 Pa,啟動(dòng)運(yùn)行程序,凍干過程開始。當(dāng)物料溫度達(dá)到50 ℃,凍干過程結(jié)束,打開出料閥,將干燥的山楂裝入鋁箔袋、密封,用于下一步分析。

CFD真空系統(tǒng)與捕水系統(tǒng)參數(shù)與中試PSBMFD設(shè)置相同,根據(jù)處理物料的量和預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了CFD加熱板的升溫方案,加熱板溫度分段設(shè)定如下:0～0.5 h:0 ℃;0.5～1 h:20 ℃,1～2 h:30 ℃;2～3 h:40 ℃, 3～4 h:50 ℃;5～18 h:60 ℃。啟動(dòng)制冷系統(tǒng),當(dāng)捕水器溫度達(dá)到-40 ℃,打開凍干倉門,將凍結(jié)4 kg山楂均勻放在2個(gè)托盤內(nèi),然后放入凍干倉,凍干過程結(jié)束,將物料裝入鋁箔袋、密封,用于下一步分析。

1.2.4 介電特性測(cè)定

介電特性的測(cè)定參考姜佳惠[11]的方法。將新鮮山楂搗碎均質(zhì)后放入玻璃皿待測(cè),用冰箱和水浴鍋控制樣品溫度(-20～50 ℃),測(cè)量探頭和物料表面緊密接觸,并通過公式(1)計(jì)算穿透深度(dp)[12]:

(1)

式中:c,f,ε′和ε″分別代表真空中的光速(3×108m/s)、電磁波頻率(2 450 MHz)、介電常數(shù)和介電損耗因子。

1.2.5 共晶點(diǎn)的測(cè)定

共晶點(diǎn)的測(cè)定采用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)分析法。取3 mg山楂放入坩堝中密封,溫度以10 ℃/min的速率從25 ℃降至-40 ℃,平衡2 min后再以相同的速率升溫至30 ℃。N2流速50 mL/min。共晶點(diǎn)從熱流圖中讀出。

1.2.6 水分含量測(cè)定

水分含量的測(cè)定參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中的直接干燥法。

1.2.7 硬度測(cè)定

采用TA-XTplus質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量干山楂樣品質(zhì)地,使用2 mm圓柱探針(P/2)進(jìn)行穿刺測(cè)試。測(cè)量參數(shù):測(cè)試前速度1.5 mm/s,測(cè)試速度1 mm/s,測(cè)試后1.5 mm/s,觸發(fā)力10 g,應(yīng)變距離50%。每個(gè)樣品重復(fù)10次。

1.2.8 相對(duì)感官密度測(cè)定

對(duì)感官密度的測(cè)定參考WANG等[13]的方法,用視相對(duì)密度(apparent relative density,ARD)表示。計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

1.2.9 復(fù)水能力測(cè)定

參考WANG等[8]的方法進(jìn)行測(cè)定并進(jìn)行少量修改。取2 g的山楂置于250 mL燒杯,注入200 mL 95 ℃的去離子水,浸泡3 min。取出瀝干、冷卻后稱重。復(fù)水能力按照公式(3)計(jì)算:

(3)

式中:RR,復(fù)水比;Rh,復(fù)水后的質(zhì)量,g;Rq,復(fù)水前的質(zhì)量,g。

1.2.10 收縮率的測(cè)定

收縮率主要根據(jù)公式(4)計(jì)算:

(4)

式中:V0、V分別代表干燥前后的山楂體積,cm3。V0和V需先計(jì)算ARD,根據(jù)樣品質(zhì)量除以ARD得出。

1.2.11 色澤測(cè)定

(5)

1.2.12 微結(jié)構(gòu)測(cè)定

采用掃描電子顯微鏡觀察凍干山楂在5 kV加速電壓下的微觀結(jié)構(gòu),放大倍數(shù)為50倍與500倍。

1.2.13 總酚及抗氧化能力的測(cè)定

總酚測(cè)定參考QIU等[14]的方法。取0.2 g山楂,磨粉后加入40 mL 80%(體積分?jǐn)?shù),下同)乙醇浸提1 h,在4 000 r/min離心20 min,取上清液備用。取澄清上清液 1 mL,2 mL的10%福林酚試劑,2 mL 75 g/L的Na2CO3溶液混勻,用80%乙醇定容至10 mL,在25 ℃下避光反應(yīng)1 h后,于765 nm測(cè)定吸光值。

DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除率參考XU等[15]的方法。

1.2.14 干燥均勻性

參照T/NTJGXH 055—2019《典型物理場(chǎng)組合干燥果蔬制品》測(cè)定產(chǎn)品的均勻性。使用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)和均勻度(uniformity degree, UD)對(duì)干燥樣品的均勻性(水分含量、色差、收縮率)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果以百分比表示,計(jì)算如公式(6)～公式(8)所示:

(6)

(7)

UD/%=(1-RSD)×100

(8)

1.2.15 風(fēng)味測(cè)定

采用電子鼻對(duì)新鮮、CFD和中試PSBMFD的山楂進(jìn)行風(fēng)味分析。取2 g左右的樣品放于40 mL的密封瓶中,在37 ℃的烘箱中靜置20 min,待氣味完全釋放后進(jìn)行測(cè)定。在測(cè)定前,電子鼻需要清洗1 200 s。其他的測(cè)定參數(shù):測(cè)定時(shí)間100 s,兩個(gè)樣品之間的清洗時(shí)間120 s。氣體流動(dòng)速度1 L/min。每個(gè)樣品測(cè)定3次。

1.2.16 能耗測(cè)量

在干燥過程中產(chǎn)生的能耗用電表測(cè)定,分別測(cè)定真空系統(tǒng),制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的電能消耗情況,單位為 kW/h。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 20和Origin 2022進(jìn)行分析繪圖,除了特別說明外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山楂共晶點(diǎn)和介電特性分析

在物料凍干過程中,干燥物料的品質(zhì)及能耗受凍結(jié)最終溫度的影響。溫度過高會(huì)導(dǎo)致局部融化,過低會(huì)導(dǎo)致能耗的浪費(fèi)。山楂作為一種蘊(yùn)含蛋白質(zhì)、多糖、纖維、有機(jī)酸等多元物質(zhì)的混合體,其共晶點(diǎn)的分析對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)置具有重要意義。如圖2所示,山楂的共晶點(diǎn)為-12.17 ℃。一般要求物料的預(yù)凍溫度低于共晶點(diǎn)的5～10 ℃,同時(shí)考慮到膠體與鹽分等物質(zhì)對(duì)水分的束縛作用,將凍結(jié)溫度設(shè)置在-30 ℃。

圖2 山楂的DSC熱流圖Fig.2 DSC heat flow map of hawthorn

山楂的介電性質(zhì)決定了其吸收微波的能力,圖3為新鮮山楂的介電常數(shù)(ε′)和介電損耗因子(ε″)隨溫度的變化規(guī)律。隨著溫度的升高,ε′與ε″呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。在低于0 ℃時(shí),介電常數(shù)和介電損耗因子都隨著溫度的增加而持續(xù)升高直至穩(wěn)定。而在后期,隨著溫度的增加,ε′與ε″則持續(xù)降低。這和姜佳惠[11]的發(fā)現(xiàn)一致,草莓的介電特性隨著溫度的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這可能是物料中水分的形態(tài)變化導(dǎo)致的。因此,根據(jù)介電特性變化對(duì)微波功率進(jìn)行調(diào)控,在干燥初始階段,介電損耗因子處于低狀態(tài),微波功率相對(duì)較高。在干燥中期,大部分的自由水升華,在初期基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高微波功率。而在干燥末期,為了避免熱失控的現(xiàn)象,降低了微波功率。本實(shí)驗(yàn)中微波功率的設(shè)置符合介電特性的變化特點(diǎn),驗(yàn)證了方案的合理性。同時(shí),根據(jù)圖4可知,山楂在凍結(jié)狀態(tài)下具有更大的穿透深度,隨著溫度的上升,穿透深度從9.34 cm下降到5.17 cm。在較高的溫度下,其穿透深度仍在1 cm以上,而去核后的山楂果實(shí)壁厚約為4～6 mm,因此在干燥過程中一般不會(huì)出現(xiàn)干燥不徹底的情況,由此可見微波源是代替電熱板作為凍干熱源的良好選擇。

圖3 山楂介電特性與溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between dielectric properties and temperature of hawthorn

圖4 微波穿透深度與溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between microwave penetration depth and temperature

2.2 中試PSBMFD山楂干燥特性分析

山楂及微波凍干倉外壁的溫度變化曲線與微波輸出功率如圖5所示。對(duì)物料的溫度變化曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在干燥前期,在前4 h物料溫度從-21.6 ℃上升至-6.3 ℃,溫度上升速率較慢,在4 h后上升速率較快,從-6.3 ℃上升至60 ℃,這是因?yàn)樵诟稍锴捌?山楂的干燥處于升華干燥階段,在此階段山楂中水分的除去主要是通過冰晶升華的方式,因?yàn)樵谏A干燥階段,山楂中的水分主要是以冰的狀態(tài)存在,所以山楂的介電損耗因子較低,能量主要用于水分的脫除,升溫較慢,而在干燥后期,干燥進(jìn)入解析干燥階段,山楂中的未凍結(jié)水具有較高的介電損耗因子,且在干燥后期,水分含量較低,少量的微波能也可以使物料溫度快速上升。因此,在干燥后期,需要對(duì)微波加載功率進(jìn)行調(diào)整以控制物料的溫度,防止微波功率較高導(dǎo)致物料升溫過快,產(chǎn)生“熱失速”現(xiàn)象,使產(chǎn)品發(fā)生局部焦糊的情況,影響產(chǎn)品品質(zhì)。

圖5 中試PSBMFD山楂溫度與微波功率變化Fig.5 The temperature and microwave power variation of pilot-scale PSBMFD hawthorn

在干燥過程中,微波凍干倉外壁上部與中部的溫度高于其下部溫度,這是因?yàn)槲锪现饕杏谙虏?低溫物料導(dǎo)致其附近的空氣變冷,而冷空氣的分子密度相對(duì)較大下沉于凍干倉的底部,室溫與凍干倉壁間熱傳導(dǎo)存在阻力,且微波凍干倉的腔體較大,氣體流動(dòng)較慢,冷空氣分子與上部的熱空氣對(duì)流效果不顯著,導(dǎo)致了凍干倉外壁上部和中部的溫度相對(duì)較高。隨著微波功率和干燥時(shí)間的增加,凍干倉外壁測(cè)量點(diǎn)的溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而凍干倉外壁下部的溫度上升較快,這是因?yàn)閲妱?dòng)增加了凍干倉內(nèi)的空氣流動(dòng),促進(jìn)了倉內(nèi)的熱量傳遞。在此過程中,凍干倉外壁上部與中部的溫度仍然高于外壁下部的溫度,這主要是因?yàn)樯介桓咚贇饬鲊娖?在中心區(qū)域呈噴泉狀態(tài)落下,在此過程中,含水量較多的山楂集中于凍干倉底部,含水量較少的山楂集中于凍干倉上部,下部的物料吸收微波能主要用于水分的除去,因此導(dǎo)致下端的測(cè)量點(diǎn)溫度較低。然而隨著干燥的進(jìn)行,物料的溫度與凍干倉外壁的溫度最終趨于一致,這說明中試PSBMFD有助于改善微波輻射的均勻性。李琳琳[10]的研究發(fā)現(xiàn),相較于單一的MFD,脈沖噴動(dòng)系統(tǒng)的加入能增加溫度的均勻性,緩解微波吸收不均勻的現(xiàn)象。這和本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

此外,對(duì)CFD和中試PSBMFD的干燥時(shí)間進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),CFD達(dá)到干燥終點(diǎn)需要15.5 h,中試PSBMFD達(dá)到干燥終點(diǎn)需要5.83 h。研究證明,中試PSBMFD能夠降低62.39%干燥時(shí)間。這和LI等[9]使用915 MHz作為微波源對(duì)山楂進(jìn)行凍干得到的結(jié)果相似,和CFD相比,MFD能縮短74.59%的時(shí)間。研究證明,相較于CFD,中試PSBMFD具有耗時(shí)更低的優(yōu)勢(shì),能有效降低山楂凍干周期,提升干燥效率,同時(shí)脈沖噴動(dòng)系統(tǒng)的加入提升了溫度的均勻性。干燥效率的提升有助于提高生產(chǎn)效率,因此PSBMFD更適用于山楂的商業(yè)化生產(chǎn)。

2.3 CFD與中試PSBMFD山楂品質(zhì)特質(zhì)分析

山楂的收縮率、色差、硬度、復(fù)水能力、ARD如表2所示。在色澤方面,CFD山楂的ΔE為3.45,而中試PSBMFD山楂的ΔE為6.24,這表明CFD相較于中試PSBMFD更能保護(hù)山楂原有的色澤,這主要是因?yàn)樵趪妱?dòng)的過程中,樣品之間發(fā)生摩擦,從而導(dǎo)致顏色變化較大。LI等[9]的研究發(fā)現(xiàn),在噴動(dòng)過程中顏色的變化還與樣品的尺寸相關(guān),更大的尺寸會(huì)增加樣品之間的摩擦,對(duì)色澤產(chǎn)生更大的影響。

表2 不同干燥方式下的山楂品質(zhì)特性的影響Table 2 Effect of the quality characteristics of hawthorn under different drying methods

收縮率方面,無論CFD山楂還是中試PSBMFD山楂都有不同程度的收縮,分別為14.30%、24.48%。在王玉川[16]的研究中發(fā)現(xiàn),萵苣切片的收縮率為28.9%,這和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。盡管2種凍干方式制備的山楂在體積上都有不同程度的收縮,但是從感官的角度來看是可以接受的。

硬度方面,中試PSBMFD和CFD山楂的硬度分別是20.83、18.86 N。和CFD山楂相比,中試PSBMFD山楂的硬度增加了10.45%,這和WANG等[17]的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)橹性嘝SBMFD的干燥速率較高,水分遷移的過程中無機(jī)鹽與其他溶質(zhì)聚集到表面,且在干燥的過程中容易發(fā)生局部收縮,因此具有較高的硬度[18]。

在復(fù)水能力方面,CFD山楂的復(fù)水比為3.29,而中試PSBMFD山楂為3.12。雖然CFD山楂的復(fù)水能力略高于PSBMFD山楂,但是兩者沒有顯著性差異(P>0.05)。這表明中試PSBMFD對(duì)山楂的損傷和CFD相當(dāng)。LI等[19]和WANG等[17]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),MFD對(duì)山藥和萵苣的復(fù)水能力沒有顯著影響,這和本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果相同。

在ARD方面,CFD和中試PSBMFD山楂的ARD分別為0.326 2、0.358 7 g/cm。CFD山楂的ARD低于中試PSBMFD山楂,這和HUANG等[20]的研究結(jié)果不同,在該研究中使用托盤式的MFD重組水果片的體積密度低于CFD的重組水果片。該研究與本實(shí)驗(yàn)的差異主要是和微波加載方案有關(guān),在本實(shí)驗(yàn)的條件下,山楂吸收了更大的能量,內(nèi)部發(fā)生膨化,增加了ARD。

從圖6中可以看出,CFD山楂的內(nèi)部微孔直徑相差不大,排列較為整齊,而中試PSBMFD山楂的微孔結(jié)構(gòu)差異較大,且CFD山楂的微孔數(shù)量低于中試PSBMFD山楂,這主要是微波加熱特性導(dǎo)致的。由于微波整體加熱促使更多水蒸氣從細(xì)胞通道涌出,增加了細(xì)胞通道之間的擠壓,造成了上述現(xiàn)象。這和WANG等[8]的研究結(jié)果一致。此外,CFD山楂樣品的細(xì)胞表面最光滑,而中試PSBMFD的表面細(xì)胞壁更加致密,這主要因?yàn)?脈沖氣流改變山楂在微波凍干倉內(nèi)位置的時(shí)候引起了山楂之間的碰撞。其次,在噴動(dòng)時(shí),氣壓的變化在山楂細(xì)胞的內(nèi)外形成壓力差導(dǎo)致了山楂細(xì)胞間的相互擠壓,因此具有明顯的褶皺。

a-CFD×50倍;b-中試PSBMFD×50倍;c-CFD×500倍;d-中試PSBMFD×500倍圖6 不同干燥方式對(duì)山楂微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effects of different drying methods on the microstructure of hawthorn

根據(jù)上述品質(zhì)特性的分析,盡管中試PSBMFD山楂的色差和收縮率大于CFD山楂,但是其具有更高的硬度和ARD,且復(fù)水能力與CFD山楂相比沒有顯著性差異。中試PSBMFD山楂較高的硬度使其具有更強(qiáng)的抗碎裂性,有助于其在運(yùn)輸和貯藏過程中原本形狀的維持,降低破損率,提高收益。

2.4 CFD與中試PSBMFD山楂風(fēng)味分析

如圖7-a所示,和新鮮山楂相比,CFD和中試PSBMFD山楂的風(fēng)味都有不同程度的降低。但中試PSBMFD山楂的整體風(fēng)味強(qiáng)度明顯高于CFD山楂,這表明中試PSBMFD能更好地保留山楂的原有風(fēng)味。S1,S5,S6,S9,S14傳感器的信號(hào)值相對(duì)明顯,意味著中試PSBMFD的樣品中烷烴、有機(jī)胺、苯酮類、芳香化合物、醇醛類物質(zhì)風(fēng)味較為豐裕,這和王玉川等[18]的研究結(jié)果相似,即MFD的方便面具有更濃郁的風(fēng)味。這可能是因?yàn)樯介械闹惓煞衷谖⒉▓?chǎng)的存在下更容易揮發(fā),因此改善了樣品的風(fēng)味。

a-風(fēng)味響應(yīng)值雷達(dá)圖;b-風(fēng)味響應(yīng)值PCA圖圖7 不同干燥方式對(duì)山楂風(fēng)味的影響Fig.7 Effects of different drying methods on flavor of hawthorn注:C表示新鮮山楂。

通過圖7-b主成分分析發(fā)現(xiàn),PC1為89.2%,PC2為6.63%。兩者相加為95.8%,這表明從樣品的風(fēng)味指標(biāo)中提取的主要成分能良好反映整體風(fēng)味信息。從圖7-b樣品的位置分布可以發(fā)現(xiàn),中試PSBMFD和CFD處理后的干山楂和新鮮樣品具有一定差距,這說明凍干對(duì)山楂的風(fēng)味具有顯著的影響。但由圖7-a可知,中試PSBMFD的風(fēng)味響應(yīng)值更加接近新鮮山楂,這表明相較于CFD,中試PSBMFD的樣品更能保留新鮮山楂的風(fēng)味,這一點(diǎn)和電子鼻分析的情況一致。

2.5 CFD與中試PSBMFD山楂的總酚與抗氧化能力分析

如圖8所示,不同的干燥方式對(duì)山楂的總酚和抗氧化能力有不同的影響。和新鮮山楂(C)相比,兩種凍干山楂中總酚含量都有不同程度的降低,但是相較于CFD山楂,中試PSBMFD山楂的總酚含量更高[37.03 mg/g干基,以沒食子酸當(dāng)量(gallic acid equivalent,GAE)計(jì)],這和姜佳惠[11]的研究結(jié)果一致,脈沖MFD草莓中的總酚含量高于CFD。而在LI等[19]的研究發(fā)現(xiàn),CFD山藥具有更高的總酚含量,這是因?yàn)榭偡雍窟€和微波功率有關(guān),不適的微波功率會(huì)導(dǎo)致總酚降解。本實(shí)驗(yàn)的中試PSBMFD山楂具有更高的總酚含量表明微波加載方案較為合理。

圖8 不同干燥方式對(duì)山楂總酚含量以抗氧化能力的影響Fig.8 Effect of different drying methods on the total phenolic content of hawthorn and antioxidant capacity

在干燥過程中,凍干倉內(nèi)的溫度以及真空等因素會(huì)影響山楂的抗氧化能力。在圖8中,中試PSBMFD山楂的ABTS陽離子自由基清除率高于CFD山楂,這主要和中試PSBMFD山楂中較高的總酚含量有關(guān)。而兩者的DPPH自由基清除率之間沒有顯著差異。上述結(jié)果表明,中試規(guī)模的PSBMFD能夠更好地保留山楂中的總酚含量和抗氧化能力。

2.6 CFD和中試PSBMFD的能耗分析

不同干燥方式的能耗占比如圖9所示。圖9-a和圖9-b顯示,真空與制冷在CFD和中試PSBMFD為主要耗能單元,而在PSBMFD中微波的能耗占比遠(yuǎn)大于CFD中電加熱的占比。而在圖9-c中顯示,中試PSBMFD和CFD的單位成品總能耗為4.44、17.13 kW·h/kg。與CFD相比,中試PSBMFD降低了74.08%的單位能耗。這和LI等[19]的研究結(jié)果一致,在CFD和脈沖高頻微波冷凍干燥山藥中,真空與冷阱的能耗比例超過50%。LIU等[21]研究發(fā)現(xiàn),將激光打孔和發(fā)酵劑組合能縮短面條34.15%的干燥時(shí)間,降低33.17%的能耗?？紤]到成本、產(chǎn)品質(zhì)量、干燥時(shí)間等因素,中試PSBMFD在縮短干燥時(shí)間的同時(shí),能夠維持產(chǎn)品的質(zhì)量,尤其在生產(chǎn)成本方面更加突顯了中試PSBMFD在商業(yè)運(yùn)用中的巨大潛力。

a-CFD凍干設(shè)備能耗占比;b-PSBMFD凍干設(shè)備能耗占比;c-不同凍干方式產(chǎn)品單位能耗圖9 不同凍干方式對(duì)能耗的影響Fig.9 Effect of different freeze-drying methods on energy consumption

2.7 中試PSBMFD山楂均勻度分析

根據(jù)T/NTJGXH 055—2019《典型物理場(chǎng)組合干燥果蔬制品》,干燥果蔬的水分含量均勻性≥85%,色差均勻性≥90%,收縮率均勻性≥88%。本實(shí)驗(yàn)中凍干山楂的水分含量、ΔE、收縮率的均勻度如表3所示,所列指標(biāo)的RSD<10%,UD值>90%,依次為90.45%、91.27%、96.18%,均符合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。這和王玉川[16]和LI等[19]的研究結(jié)果一致,在MFD中引入脈沖噴動(dòng)能夠改善萵苣和山藥的均勻性。此外,勞艷艷[22]的研究發(fā)現(xiàn),在紅外冷凍干燥中引入噴動(dòng)系統(tǒng)也能改善物料的均勻性,均勻性與噴動(dòng)時(shí)間間隔相關(guān)。在中試PSBMFD中山楂的收縮和顏色的變化都在可接受的范圍內(nèi),這表明,在企業(yè)生產(chǎn)中,PSBMFD能夠代替CFD作為山楂的干燥方式。

表3 中試PSBMFD山楂水分含量、ΔE及收縮率的均勻度Table 3 Uniformity of water content, ΔE, and shrinkage of hawthorn by pilot-scale PSBMFD

3 結(jié)論

本文根據(jù)物料溫度和介電特性設(shè)置了中試PSBMFD的微波加載方案,并探究了中試PSBMFD山楂的能耗、品質(zhì)特性、風(fēng)味及均勻度。結(jié)果表明,與CFD相比,中試PSBMFD能縮短山楂的干燥時(shí)間,降低能耗,有助于企業(yè)生產(chǎn)中降低成本,提高效率。在品質(zhì)方面,中試PSBMFD山楂的水分含量、色差、收縮率等指標(biāo)的均勻度也在期望的范圍內(nèi),復(fù)水能力和傳統(tǒng)凍干山楂沒有顯著差異。此外,中試PSBMFD能更好地保留山楂的原有風(fēng)味。從企業(yè)生產(chǎn)的角度出發(fā),綜合干燥時(shí)間、能耗及產(chǎn)品品質(zhì)特性,中試PSBMFD具有更廣闊的商業(yè)前景。然而,PSBMFD在干燥后期溫度上升較快,不容易控制,可能會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì),對(duì)此,可以通過對(duì)山楂升華/解析干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)的研究以及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與微波控制系統(tǒng)等智能設(shè)備的研制,對(duì)干燥工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),保障產(chǎn)品質(zhì)量。此外,PSBMFD商業(yè)應(yīng)用還面臨高產(chǎn)量噴動(dòng)床凍干倉設(shè)計(jì)、微波穿透深度調(diào)控、捕水器匹配及不同物料凍干工藝參數(shù)優(yōu)化與智能控制等問題。